工业技术_微波光子链路: 组件与电路

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书名微波光子链路: 组件与电路
书号 978-7-118-10501-8
作者 (法) 克里斯蒂安·鲁
出版时间 2017年06月
译者王宇
版次 1版1次
开本 16
装帧精装
出版基金装备科技译著出版基金
页数 263
字数 312
中图分类 TN015
丛书名

定价 99.00

"微波光子技术是以光电子器件为基础，由光学技术、电子学技术、精密机械技术
和计算机技术等密切结合而形成的一项综合技术。它是光学技术与电子学技术的
结合，利用微波光子链路及相关组件实现微波信号在光域的接收、传输、变换、
存储、处理和重现信息的技术。
光纤及光电子器件具有超宽带、低损耗、体积重量小、抗电磁干扰等独特优
势，经过20多年的发展，已用于野战通信、飞机舰船内部通信、光电对抗、
光电跟踪制导、光电传感等。这些军用光电子装备或自成系统，或与武器系统配
套，成为武器系统的核心或辅助部分，执行目标的测距、定位、测速、跟踪和瞄
准，以及信息的接收、传输和处理，甚至直接作为武器。微波光子技术以军事需
求为牵引，日益成为国内外研究的热点。
原著是一本介绍微波光子链路组件和电路的最新学术专著，在介绍微波光子
链路器件原理的基础上，通过器件电学和光学特性参数的分析，提出了微波光
子链路性能综合分析的原创方法，分析了微波光子链路特性参数及影响因素，进而提
出了微波光子链路及器件建模仿真方法，通过建模将微波光子链路组件的电气模
型集成到商用电路仿真软件中，从理论和应用上为微波系统工程师和研究人员提
供了设计参考和依据。原著由国际著名学术出版机构Wiley出版发行，原著作者
为法国国立科学与管理学院（CNAM）的教授，代表了欧洲微波光子技术研究的最高水平，
反应了目前国际相关领域的最新研究成果。
译者先后参与过国家某民用航天项目
中的基于微波光子技术的雷达分系统以及某光控相控阵天线的光控单元设计集
成工作。本书的翻译及相关项目的研究工作得到了北京理工大学光电成像与信息
工程研究所倪国强教授、中国科学院理化技术研究所刘新厚研究员的大力支持和
帮助，本书的翻译还得到了国防工业出版社的帮助。需要说明的是，中译本的首
要原则是尽可能准确地传达原著的学术观点。鉴于译者的水平和时间所限，翻译
过程中难免存在未尽和疏漏之处，敬请广大同行读者批评指正。"

第1章基本概念1

1.1微波光子链路1

1.2链路描述2

1.3信号传输3

1.3.1微波信号3

1.3.2数字信号的微波载波4

1.3.3UWB信号4

1.3.4光载波4

1.3.5小结4

1.4微波光子链路的局限性5

1.4.1由不同组件的材料带来的局限性5

1.4.2微波光子链路中的噪声源6

1.4.3非线性9

1.5微波光子链路组件和特征9

第2章光信号的产生和调制10

2.1激光器10

2.1.1基本概念10

2.1.2半导体激光器结构和有源层光增益11

2.1.3Fabry-Perot激光器原理13

2.1.4光限制因子与速率方程14

2.1.5激光器静态工作模式（或连续波工作模式）15

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2.1.6激光器动态工作模式：射频小信号响应16

2.1.7RIN激光器噪声18

2.1.8RIN随1/f的增大和小信号与噪声的叠加20

2.1.9激光器的不同配置21

2.1.10激光器计算机辅助设计（CAD）模型27

2.1.11激光器测量和温度稳定性31

2.2电光调制器（EOM）33

2.2.1基本物理原理33

2.2.2线性电光（Pockel）效应33

2.2.3Mach-Zehnder电光调制器35

2.2.4单驱动MZM：单驱动电极36

2.2.5双驱动MZM：双驱动电极46

2.2.6实际MZM：特性和性能50

2.2.7MZM技术51

2.3电吸收调制器（EAM）52

2.3.1电吸收效应52

2.3.2FKE55

2.3.3Stark效应55

2.3.4量子阱结构56

2.3.5MEA操作56

2.3.6EAM特性58

2.3.7电吸收调制激光器（EML）：EAM和DFB的集成59

2.3.8用于超高速信号仿真的EAM电气建模60

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第3章光纤和放大器63

3.1光纤63

3.1.1概述63

3.1.2材料衰减65

3.1.3材料折射率和色散66

3.1.4全反射、数值孔径、最大传输频率67

3.1.5阶跃折射率光纤70

3.1.6渐变折射率光纤72

3.1.7单模光纤74

3.1.8塑料光纤76

3.2光放大器79

3.2.1半导体光放大器（SOA）80

3.2.2EDFA80

3.3附录：光纤中信号传播的模分析82

3.3.1Maxwell方程82

3.3.2柱面光纤中的Maxwell方程82

3.3.3连续性和特征方程条件85

3.3.4不同模式分析86

3.3.5线性偏振模式的近似88

第4章光电探测器91

4.1光电探测器定义91

4.2光电二极管91

4.2.1介绍91

4.2.2半导体中的光吸收92

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4.2.3p-i-n光电二极管93

4.2.4金属半导体金属（MSM）光电二极管96

4.2.5p-i-n和MSM光电二极管的等效电路97

4.2.6非线性97

4.2.7UTC光电二极管98

4.2.8电荷补偿99

4.2.9部分耗尽吸收区100

4.2.10横向采光100

4.2.11横向采光：行波结构101

4.2.12横向采光：周期结构103

4.2.13共振腔光电二极管104

4.2.14稀释波导和渐逝模式的耦合105

4.2.15小结106

4.3光电晶体管107

4.3.1双极性抑或场效应光电晶体管？107

4.3.2GaAlAs/GaAs和InGaP/GaAs光电晶体管108

4.3.3InP/InGaAs光电晶体管110

4.3.4Si/SiGe光电晶体管113

4.3.5光电晶体管的共振腔116

4.3.6光电晶体管仿真和模型116

4.3.7基极负载阻抗的影响118

4.3.8小结120

4.4附录121

4.4.1晶格匹配层、赝晶层和变质层121

4.4.2速度过冲效应123

4.4.3异质结双极性光电晶体管124

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第5章微波光子链路性能127

5.1微波光子链路：电路图和定义127

5.1.1直接调制链路电路图和定义127

5.1.2外调制链路电路图和定义129

5.1.3链路简化电路图和一级增益计算130

5.2光微波S参数和每个光子链路组件的增益132

5.2.1简介132

5.2.2激光器的光微波S参数和光微波增益132

5.2.3光纤的光微波S参数和光微波增益133

5.2.4光电二极管的光微波S参数和增益134

5.2.5局域组件外调制器光微波S参数和增益135

5.2.6分布式组件外调制光微波S参数和增益136

5.2.7S参数和光微波增益总结137

5.3微波光子链路光微波S参数和增益138

5.3.1直接调制微波光子链路S参数138

5.3.2直接调制微波光子链路增益138

5.3.3局域式外调制器微波光子链路S参数139

5.3.4局域式外调制器微波光子链路增益140

5.3.5分布式外调制器微波光子链路S参数140

5.3.6分布式外调制器微波光子链路增益141

5.3.7链路增益计算总结141

5.4不同链路增益的比较143

5.4.1直接调制链路增益计算143

5.4.2局域式外调制器链路增益计算144

5.4.3分布式外调制器链路增益计算145

5.5直接调制微波光子链路的光微波噪声系数145

5.5.1链路噪声系数图和计算方法145

5.5.2激光器噪声系数146

5.5.3光纤噪声系数147

5.5.4光电二极管噪声系数147

5.5.5直接调制链路噪声系数147

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5.5.6直接调制链路输入端的匹配效应148

5.5.7链路噪声系数计算的总结148

5.6外调制微波光子链路光微波噪声系数149

5.6.1等效电路图和计算步骤回顾149

5.6.2局域式外调制器噪声系数150

5.6.3分布式外调制器噪声系数150

5.6.4光电探测器噪声系数的新评价151

5.6.5局域式外调制器微波光子链路噪声系数152

5.6.6输入端匹配的局域式外调制器微波光子链路噪声

系数152

5.6.7分布式外调制器微波光子链路噪声系数152

5.7不同链路噪声系数的比较153

5.7.1直接调制链路噪声系数评估153

5.7.2局域式外调制器链路噪声系数评估154

5.7.3输入端匹配的局域式外调制器链路噪声系数的评

估155

5.7.4分布式外调制器链路噪声系数评估155

5.7.5输出噪声功率157

5.7.6噪声系数的一些有效实测值158

5.8微波光子链路的非线性：失真现象159

5.8.1单频微波信号的非线性159

5.8.2多频微波输入信号的非线性160

5.8.3宽带输入信号的非线性161

5.8.4微波光子链路组件的非线性组合162

5.9微波光子链路无干扰动态范围162

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5.9.1单频输入信号微波光子链路无干扰动态范围162

5.9.2多输入信号微波光子链路无干扰动态范围163

5.9.3无干扰动态范围的一些有效实测值164

5.10附录164

5.10.1参数S，Z，Y和ABCD之间的关系164

5.10.2微波光子链路光微波噪声系数计算公式的选择165

5.10.3双输入信号微波光子链路的无干扰动态范围计算171

第6章微波光子链路性能的补充分析176

6.1微波信号在双边带调制中的衰减176

6.1.1双边带调制回顾176

6.1.2单模光纤传播特性回顾176

6.1.3光纤双边带调制信号传播178

6.1.4光纤输出端的双边带调制信号探测178

6.2光载波或上下边带去除的调制器结构180

6.2.1光调制回顾180

6.2.2单边带或载波抑制光调制器180

6.2.3载波抑制和单边带光调制器182

6.3光链路造成的微波信号频谱纯度下降184

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6.3.1现象描述184

6.3.2一些有关微波载波附近噪声的定义185

6.3.3光链路中的幅度和相位噪声186

6.3.4通过光链路传输的微波信号的相位噪声计算187

6.3.5通过光链路传输的微波信号的幅度噪声计算188

第7章微波光子链路中的电子放大器190

7.1光子链路中的电子放大器190

7.2光子链路发射机的电子放大器190

7.2.1光发射机的电子放大器的不同作用190

7.2.2发射机：调制器或激光器输入放大器190

7.3接收机：光电探测器输出端的放大器193

7.3.1基本概念193

7.3.2跨阻放大器194

7.3.3分布式放大器195

7.3.4跨阻抗和分布式放大器的组合196

7.3.5窄带放大器196

7.3.6光电晶体管后的前置放大器197

7.3.7光电晶体管后的其他电路197

7.4附录：模拟和微波放大器197

7.4.1基本概念197

7.4.2模拟放大器198

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7.4.3微波放大器：晶体管反射器系数的表示200

7.4.4微波放大器：增益的表示201

7.4.5单向晶体管模型：双端口网络匹配计算202

7.4.6非单向晶体管：S12≠0的晶体管的一般情况206

7.4.7低噪声放大器206

7.4.8小信号微波放大器的通用模型207

第8章微波光子链路的仿真和测量212

8.1技术现状212

8.1.1目标212

8.1.2仿真软件的选择212

8.1.3不同的ADS仿真技术213

8.2微波光子链路模型214

8.2.1双端口网络方法214

8.2.2电光转换器：激光器214

8.2.3传输波导：光纤217

8.2.4光电传感器：光电二极管219

8.3链路中非线性效应222

8.3.1非线性源222

8.3.21dB压缩点和链路的一阶动态响应222

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8.3.3链路的三阶交调和三阶无干扰动态范围223

8.4链路噪声建模224

8.4.1激光器噪声224

8.4.2光纤224

8.4.3光电二极管噪声225

8.4.4直接调制链路噪声系数226

8.4.5接收机噪声功率227

8.5信号在光纤中传输的其他调制类型229

8.5.1超宽带信号调制229

8.5.2外调制233

8.5.3通过差频产生微波信号236

8.6结论238

8.7附录239

8.7.1MB-OOK调制239

8.7.2OFDM调制240

参考文献243

缩略语260

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